聯(lián)想軟件設(shè)計中心嵌入式研發(fā)處系統(tǒng)設(shè)計工程師
2003 年 7 月

USB設(shè)備越來越多，而Linux在硬件配置上仍然沒有做到完全即插即用，對于Linux怎樣配置和使用他們，也越來越成為困擾我們的一大問題。本文著力從Linux系統(tǒng)下設(shè)備驅(qū)動的架構(gòu)，去闡述怎樣去使用和配置以及怎樣編制USB設(shè)備驅(qū)動。對于一般用戶，可以使我們明晰Linux設(shè)備驅(qū)動方式，為更好地配置和使用USB設(shè)備提供了方便；而對于希望開發(fā)Linux系統(tǒng)下USB設(shè)備驅(qū)動的程序員，提供了初步學(xué)習(xí)USB驅(qū)動架構(gòu)的機會。

前言
USB是英文"Universal Serial Bus"的縮寫，意為"通用串行總線"。是由Compaq(康柏)、DEC、IBM、Intel、NEC、微軟以及Northern Telecom（北方電訊）等公司于1994年11月共同提出的，主要目的就是為了解決接口標(biāo)準(zhǔn)太多的弊端。USB使用一個4針插頭作為標(biāo)準(zhǔn)插頭，并通過這個標(biāo)準(zhǔn)接頭，采用菊花瓣形式把所有外設(shè)連接起來，它采用串行方式傳輸數(shù)據(jù)，目前最大數(shù)據(jù)傳輸率為12Mbps, 支持多數(shù)據(jù)流和多個設(shè)備并行操作，允許外設(shè)熱插拔。

目前USB接口雖然只發(fā)展了2代（USB1.0/1.1，USB2.0），但是USB綜合了一個多平臺標(biāo)準(zhǔn)的所有優(yōu)點 -- 包括降低成本，增加兼容性，可連接大量的外部設(shè)備，融合先進(jìn)的功能和品質(zhì)。使其逐步成為PC接口標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)入了高速發(fā)展期。

那么對于使用Linux系統(tǒng)，正確支持和配置常見的USB設(shè)備，就是其使用必不可少的關(guān)鍵一步。

相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)
模塊（驅(qū)動程序）

模塊（module）是在內(nèi)核空間運行的程序，實際上是一種目標(biāo)對象文件，沒有鏈接，不能獨立運行，但是可以裝載到系統(tǒng)中作為內(nèi)核的一部分運行，從而可以動態(tài)擴充內(nèi)核的功能。模塊最主要的用處就是用來實現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動程序。

Linux下對于一個硬件的驅(qū)動，可以有兩種方式：直接加載到內(nèi)核代碼中，啟動內(nèi)核時就會驅(qū)動此硬件設(shè)備。另一種就是以模塊方式，編譯生成一個.o文件。當(dāng)應(yīng)用程序需要時再加載進(jìn)內(nèi)核空間運行。所以我們所說的一個硬件的驅(qū)動程序，通常指的就是一個驅(qū)動模塊。

設(shè)備文件

對于一個設(shè)備，它可以在/dev下面存在一個對應(yīng)的邏輯設(shè)備節(jié)點，這個節(jié)點以文件的形式存在，但它不是普通意義上的文件，它是設(shè)備文件，更確切的說，它是設(shè)備節(jié)點。這個節(jié)點是通過mknod命令建立的，其中指定了主設(shè)備號和次設(shè)備號。主設(shè)備號表明了某一類設(shè)備，一般對應(yīng)著確定的驅(qū)動程序；次設(shè)備號一般是區(qū)分不同屬性，例如不同的使用方法，不同的位置，不同的操作。這個設(shè)備號是從/proc/devices文件中獲得的，所以一般是先有驅(qū)動程序在內(nèi)核中，才有設(shè)備節(jié)點在目錄中。這個設(shè)備號（特指主設(shè)備號）的主要作用，就是聲明設(shè)備所使用的驅(qū)動程序。驅(qū)動程序和設(shè)備號是一一對應(yīng)的，當(dāng)你打開一個設(shè)備文件時，操作系統(tǒng)就已經(jīng)知道這個設(shè)備所對應(yīng)的驅(qū)動程序。

SCSI 設(shè)備

SCSI是有別于IDE的一個計算機標(biāo)準(zhǔn)接口?，F(xiàn)在大部分平板式掃描儀、CD-R刻錄機、MO光磁盤機等漸漸趨向使用SCSI接口，加之SCSI又能提供一個高速傳送通道，所以，接觸到SCSI設(shè)備的用戶會越來越多。Linux支持很多種的SCSI設(shè)備，例如：SCSI硬盤、SCSI光驅(qū)、SCSI磁帶機。更重要的是，Linux提供了IDE設(shè)備對SCSI的模擬（ide-scsi.o模塊），我們通常會就把IDE光驅(qū)模擬為SCSI光驅(qū)進(jìn)行訪問。因為在Linux中很多軟件都只能操作SCSI光驅(qū)。例如大多數(shù)刻錄軟件、一些媒體播放軟件。通常我們的USB存儲設(shè)備，也模擬為SCSI硬盤而進(jìn)行訪問。

Linux硬件驅(qū)動架構(gòu)

對于一個硬件，Linux是這樣來進(jìn)行驅(qū)動的：首先，我們必須提供一個.o的驅(qū)動模塊文件（這里我們只說明模塊方式，其實內(nèi)核方式是類似的）。我們要使用這個驅(qū)動程序，首先要加載運行它（insmod *.o）。這樣驅(qū)動就會根據(jù)自己的類型（字符設(shè)備類型或塊設(shè)備類型，例如鼠標(biāo)就是字符設(shè)備而硬盤就是塊設(shè)備）向系統(tǒng)注冊，注冊成功系統(tǒng)會反饋一個主設(shè)備號，這個主設(shè)備號就是系統(tǒng)對它的唯一標(biāo)識（例如硬盤塊設(shè)備在/proc/devices中顯示的主設(shè)備號為3 ，我們用ls -l /dev/had看到的主設(shè)備就肯定是3）。驅(qū)動就是根據(jù)此主設(shè)備號來創(chuàng)建一個一般放置在/dev目錄下的設(shè)備文件（mknod命令用來創(chuàng)建它，它必須用主設(shè)備號這個參數(shù)）。在我們要訪問此硬件時，就可以對設(shè)備文件通過open、read、write等命令進(jìn)行。而驅(qū)動就會接收到相應(yīng)的read、write操作而根據(jù)自己的模塊中的相應(yīng)函數(shù)進(jìn)行了。

其中還有幾個比較有關(guān)系的東西：一個是/lib/modules/2.4.XX目錄，它下面就是針對當(dāng)前內(nèi)核版本的模塊。只要你的模塊依賴關(guān)系正確（可以通過depmod設(shè)置），你就可以通過modprobe 命令加載而不需要知道具體模塊文件位置。 另一個是/etc/modules.conf文件，它定義了一些常用設(shè)備的別名。系統(tǒng)就可以在需要此設(shè)備支持時，正確尋找驅(qū)動模塊。例如alias eth0 e100，就代表第一塊網(wǎng)卡的驅(qū)動模塊為e100.o。他們的關(guān)系圖如下：

配置USB設(shè)備
內(nèi)核中配置.

要啟用 Linux USB 支持，首先進(jìn)入"USB support"節(jié)并啟用"Support for USB"選項（對應(yīng)模塊為usbcore.o）。盡管這個步驟相當(dāng)直觀明了，但接下來的 Linux USB 設(shè)置步驟則會讓人感到糊涂。特別地，現(xiàn)在需要選擇用于系統(tǒng)的正確 USB 主控制器驅(qū)動程序。選項是"EHCI" （對應(yīng)模塊為ehci-hcd.o）、"UHCI" （對應(yīng)模塊為usb-uhci.o）、"UHCI (alternate driver)"和"OHCI" （對應(yīng)模塊為usb-ohci.o）。這是許多人對 Linux 的 USB 開始感到困惑的地方。

要理解"EHCI"及其同類是什么，首先要知道每塊支持插入 USB 設(shè)備的主板或 PCI 卡都需要有 USB 主控制器芯片組。這個特別的芯片組與插入系統(tǒng)的 USB 設(shè)備進(jìn)行相互操作，并負(fù)責(zé)處理允許 USB 設(shè)備與系統(tǒng)其它部分通信所必需的所有低層次細(xì)節(jié)。

Linux USB 驅(qū)動程序有三種不同的 USB 主控制器選項是因為在主板和 PCI 卡上有三種不同類型的 USB 芯片。"EHCI"驅(qū)動程序設(shè)計成為實現(xiàn)新的高速 USB 2.0 協(xié)議的芯片提供支持。"OHCI"驅(qū)動程序用來為非 PC 系統(tǒng)上的（以及帶有 SiS 和 ALi 芯片組的 PC 主板上的）USB 芯片提供支持。"UHCI"驅(qū)動程序用來為大多數(shù)其它 PC 主板（包括 Intel 和 Via）上的 USB 實現(xiàn)提供支持。只需選擇與希望啟用的 USB 支持的類型對應(yīng)的"?HCI"驅(qū)動程序即可。如有疑惑，為保險起見，可以啟用"EHCI"、"UHCI" （兩者中任選一種，它們之間沒有明顯的區(qū)別）和"OHCI"。（ 趙明注：根據(jù)文檔，EHCI已經(jīng)包含了UHCI和OHCI，但目前就我個人的測試，單獨加EHCI是不行的，通常我的做法是根據(jù)主板類型加載UHCI或OHCI后，再加載EHCI這樣才可以支持USB2.0設(shè)備）。

啟用了"USB support"和適當(dāng)?shù)??HCI"USB 主控制器驅(qū)動程序后，使 USB 啟動并運行只需再進(jìn)行幾個步驟。應(yīng)該啟用"Preliminary USB device filesystem"，然后確保啟用所有特定于將與 Linux 一起使用的實際 USB 外圍設(shè)備的驅(qū)動程序。例如，為了啟用對 USB 游戲控制器的支持，我啟用了"USB Human Interface Device (full HID) support"。我還啟用了主"Input core support" 節(jié)下的"Input core support"和"Joystick support"。

一旦用新的已啟用 USB 的內(nèi)核重新引導(dǎo)后，若/proc/bus/usb下沒有相應(yīng)USB設(shè)備信息，應(yīng)輸入以下命令將 USB 設(shè)備文件系統(tǒng)手動掛裝到 /proc/bus/usb：

# mount -t usbdevfs none /proc/bus/usb 

為了在系統(tǒng)引導(dǎo)時自動掛裝 USB 設(shè)備文件系統(tǒng)，請將下面一行添加到 /etc/fstab 中的 /proc 掛裝行之后：

none /proc/bus/usb usbdevfs defaults 0 0 

模塊的配置方法.

在很多時候，我們的USB設(shè)備驅(qū)動并不包含在內(nèi)核中。其實我們只要根據(jù)它所需要使用的模塊，逐一加載。就可以使它啟作用。

首先要確保在內(nèi)核編譯時以模塊方式選擇了相應(yīng)支持。這樣我們就應(yīng)該可以在/lib/modules/2.4.XX目錄看到相應(yīng).o文件。在加載模塊時，我們只需要運行modprobe xxx.o就可以了（modprobe主要加載系統(tǒng)已經(jīng)通過depmod登記過的模塊，insmod一般是針對具體.o文件進(jìn)行加載）

對應(yīng)USB設(shè)備下面一些模塊是關(guān)鍵的。

相關(guān)模塊

注意kernel config其中一項：

	Probe all LUNs on each SCSI device

最好選上，要不某些同時支持多個口的讀卡器只能顯示一個。若模塊方式就要帶參數(shù)安裝或提前在/etc/modules.conf中加入以下項，來支持多個LUN。

	add options scsi_mod max_scsi_luns=9  

常見USB設(shè)備及其配置

在Linux 2.4的內(nèi)核中已經(jīng)支持不下20種設(shè)備。它支持幾乎所有的通用設(shè)備如鍵盤、鼠標(biāo)、modem、打印機等，并不斷地添加廠商新的設(shè)備象數(shù)碼相機、MP3、網(wǎng)卡等。下面就是幾個最常見設(shè)備的介紹和使用方法：

USB鼠標(biāo)：

鍵盤和鼠標(biāo)屬于低速的輸入設(shè)備，對于已經(jīng)為用戶認(rèn)可的PS/2接口，USB鍵盤和USB鼠標(biāo)似乎并沒有太多更優(yōu)越的地方。現(xiàn)在的大部分鼠標(biāo)采用了PS/2接口，不過USB接口的鼠標(biāo)也越來越多，兩者相比，各有優(yōu)勢：一般來說，USB的鼠標(biāo)接口的帶寬大于PS/2鼠標(biāo)，也就是說在同樣的時間內(nèi)，USB鼠標(biāo)掃描次數(shù)就要多于PS/2鼠標(biāo)，這樣在定位上USB鼠標(biāo)就更為精確；同時USB接口鼠標(biāo)的默認(rèn)采樣率也比較高，達(dá)到125HZ，而PS/2接口的鼠標(biāo)僅有40HZ（Windows 9x/Me）或是60HZ（Windows NT/2000）。

對于USB設(shè)備你當(dāng)然必須先插入相應(yīng)的USB控制器模塊：usb-uhci.o或usb-ohci.o

	modprobe usb-uhci

USB鼠標(biāo)為了使其正常工作，您必須先插入模塊usbmouse.o和mousedev.o

	modprobe usbmouse
	modprobe mousedev

若你把HID input layer支持和input core 支持也作為模塊方式安裝，那么啟動hid模塊和input模塊也是必要的。

	modprobe hid
	modprobe input

USB鍵盤：

一般的，我們現(xiàn)在使用的鍵盤大多是PS/2的，USB鍵盤還比較少見，但是下來的發(fā)展，鍵盤將向USB接口靠攏。使用USB鍵盤基本上沒有太多的要求，只需在主板的BIOS設(shè)定對USB鍵盤的支持，就可以在各系統(tǒng)中完全無障礙的使用，而且更可以真正做到在即插即用和熱插拔使用,并能提供兩個USB連接埠：讓您可以輕易地直接將具有USB接頭的裝置接在您的鍵盤上，而非計算機的后面。

同樣你當(dāng)然必須先插入相應(yīng)的USB控制器模塊：usb-uhci.o或usb-ohci.o

	modprobe usb-uhci

然后您還必須插入鍵盤模塊usbkbd.o，以及keybdev.o，這樣usb鍵盤才能夠正常工作。此時，運行的系統(tǒng)命令：

modprobe usbkbd
modprobe keybdev

同樣若你把HID input layer支持和input core 支持也作為模塊方式安裝，那么啟動hid模塊和input模塊也是必要的。

U盤和USB讀卡器：

數(shù)碼存儲設(shè)備現(xiàn)在對我們來說已經(jīng)是相當(dāng)普遍的了。CF卡、SD卡、Memory Stick等存儲卡已經(jīng)遍及我們的身邊，通常，他們的讀卡器都是USB接口的。另外，很多MP3、數(shù)碼相機也都是USB接口和計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。更我們的U盤、USB硬盤，作為移動存儲設(shè)備，已經(jīng)成為我們的必須裝備。

在Linux下這些設(shè)備通常都是以一種叫做usb-storage的方式進(jìn)行驅(qū)動。要使用他們必須加載此模塊

	modprobe usb-storage

當(dāng)然，usbcore.o 和usb-uhci.o或usb-ohci也肯定是不可缺少的。另外，若你系統(tǒng)中SCSI支持也是模塊方式，那么下面的模塊也要加載

	modprobe scsi_mod
	modprobe sd_mod

在加載完這些模塊后，我們插入U盤或存儲卡，就會發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中多了一個SCSI硬盤，通過正確地mount它，就可以使用了（SCSI硬盤一般為/dev/sd?，可參照文章后面的常見問題解答）。

	mount /dev/sda1 /mnt

Linux支持的其他USB設(shè)備。

注意：上面所說的每個驅(qū)動模塊，并不是都要手動加載，有很多系統(tǒng)會在啟動或你的應(yīng)用需要時自動加載的，寫明這些模塊，是便于你在不能夠使用USB設(shè)備時，可以自行檢查。只要用lsmod確保以上模塊已經(jīng)被系統(tǒng)加載，你的設(shè)備就應(yīng)該可以正常工作了。當(dāng)然注意有些模塊已經(jīng)以內(nèi)核方式在kernel啟動時存在了（這些模塊文件在/lib/modules/2.4.XX中是找不到的）。

最常遇見的USB問題

1. 有USB設(shè)備的系統(tǒng)安裝完redhat 7.3啟動死機問題

   有USB設(shè)備，當(dāng)你剛裝完redhat 7.3第一次啟動時，總會死掉。主要原因是Linux在安裝時探測到有usb-uhci和ehci-hcd兩個控制器，但在啟動時，加載完usb-uhci再加載ehci-hcd就會有沖突。分析認(rèn)為redhat7.3系統(tǒng)內(nèi)核在支持USB2.0標(biāo)準(zhǔn)上存在問題。在其他版本的Linux中均不存在此問題。

   解決辦法：在lilo或grub啟動時用命令行傳遞參數(shù)init=/sbin/init。這樣在啟動后就不運行其他服務(wù)而直接啟動shell。然后運行
   mount -o remount,rw / 使/ 可寫，init直接啟動的系統(tǒng)默認(rèn)只mount /為只讀
   然后vi /etc/modules.config文件
   刪除alias usb-controller1 ehci-hcd一行?；蚯懊婕?注釋掉
   然后mount -o remount,ro / 使/ 只讀，避免直接關(guān)機破壞文件系統(tǒng)
   然后就可以按Ctrl-Alt-Delete直接重啟了
   或許，你有更簡單的辦法：換USB鍵盤和鼠標(biāo)為PS2接口，啟動后修改/etc/modules.config文件。

2. 我們已經(jīng)知道U盤在Linux中會模擬為SCSI設(shè)備去訪問，可怎么知道它對應(yīng)那個SCSI設(shè)備呢？

   方法1：推測。通常你第一次插入一個SCSI設(shè)備，它就是sda，第二個就是sdb以此類推。你啟動Linux插入一個U盤，就試試sda，換了一個就可能是sdb。這里注意兩個特例：1） 你用的是聯(lián)想U盤，它可能存在兩個設(shè)備區(qū)（一個用于加密或啟動電腦），這樣就可能一次用掉兩個sda、sdb，換個U盤就是sdc、sdd。2） 聯(lián)想數(shù)碼電腦中，可能已經(jīng)有了六合一讀卡器。它同樣也是USB存儲設(shè)備。它會占掉一個或兩個SCSI設(shè)備號。

   方法2：看信息。其實，只要你提前把usb-storage.o、scsi_mod.o、sd_mod.o模塊加載（直接在kernel中也可以）了，在你插入和拔出U盤時，系統(tǒng)會自動打出信息如下：

   SCSI device sda: 60928 512-byte hdwr sectors ( 31 MB ) sda: Write Protect is on

   根據(jù)此信息，你就知道它在sda上了。當(dāng)然，可能你的系統(tǒng)信息級別比較高，上述信息可能沒有打出，這時候你只要tail /var/log/messages就可以看到了。

   方法3：同樣，cat /proc/partitions也可以看到分區(qū)信息，其中sd?就是U盤所對應(yīng)的了。若根本沒有sd設(shè)備，就要檢查你的SCSI模塊和usb-storage模塊是否正確加載了。

3. 在使用U盤或存儲卡時，我該mount /dev/sda還是/dev/sda1呢？

   這是一個歷史遺留問題。存儲卡最初尺寸很小，很多廠商在使用時，就直接使用存儲，不含有分區(qū)表信息。而隨著存儲卡尺寸的不斷擴大，它也就引入了類似硬盤分區(qū)的概念。例如/dev/hda你可以分成主分區(qū)hda1、hda2擴展分區(qū)hda3，然后把擴展分區(qū)hda3又分為邏輯分區(qū)hda5、hda6、hda7等。這樣，通常的U盤就被分成一個分區(qū)sda1，類似把硬盤整個分區(qū)分成一個主分區(qū)hda1。實際上，我們完全可以通過fdisk /dev/sda對存儲卡進(jìn)行完全類似硬盤的分區(qū)方式分成sda1、sda2甚至邏輯分區(qū)sda5、sda6。實際上，對USB硬盤目前你的確需要這樣，因為它通常都是多少G的容量。而且通常，它里面就是筆記本硬盤。

   一個好玩的問題。你在Linux下用fdisk /dev/sda 對U盤進(jìn)行了多分區(qū)，這時候到windows下，你會發(fā)現(xiàn)怎么找，怎么格式化，U盤都只能找到第一個分區(qū)大小尺寸，而且使用看不出任何問題。這主要是windows驅(qū)動對U盤都只支持一個分區(qū)的緣故。你是不是可以利用它來進(jìn)行一些文件的隱藏和保護(hù)？你是不是可以和某些人沒玩過Linux的人開些玩笑：你的U盤容量變小了J。

   現(xiàn)在較多的數(shù)碼設(shè)備也和windows一樣，是把所有U盤容量分為一個，所以在對待U盤的時候，通常你mount的是sda1。但對于某些特殊的數(shù)碼設(shè)備格式化的U盤或存儲卡（目前我發(fā)現(xiàn)的是一款聯(lián)想的支持模擬USB軟盤的U盤和我的一個數(shù)碼相機），你就要mount /dev/sda。因為它根本就沒分區(qū)表（若mount /dev/sda1通常的效果是死掉）。其實，這些信息，只要你注意了/proc/partitions文件，都應(yīng)該注意到的。

4. 每次插入U盤，都要尋找對應(yīng)設(shè)備文件名，都要手動mount，我能不能做到象windows那樣插入就可以使用呢。

   當(dāng)然可以，不過你需要做一些工作。我這里只提供一些信息幫助你去嘗試完成設(shè)置：Linux內(nèi)核提供了一種叫hotplug支持的東西，它可以讓你系統(tǒng)在PCI設(shè)備、USB等設(shè)備插拔時做一些事情。而automount 功能可以使你的軟驅(qū)、光盤等設(shè)備的分區(qū)自動掛載和自動卸載。你甚至可以在KDE桌面中創(chuàng)建相應(yīng)的圖標(biāo)，方便你操作。具體設(shè)置方法就要你自己去嘗試了。反正我使用Linux已經(jīng)麻木了，不就是敲一行命令嘛。

參考資料

1. 《LINUX設(shè)備驅(qū)動程序》 ALESSANDRO RUBINI著 LISOLEG 譯
2. 《Linux系統(tǒng)分析與高級編程技術(shù)》 周巍松 編著
3. Linux Kernel-2.4.20源碼和文檔說明